絕緣柵雙極晶體管IGBT在UPS電源中的應用及維護檢修實例

梁光發 周曉亮 蒙春嬋

（廣西廣播電視技術中心桂林分中心）

一、引言

絕緣柵雙極晶體管(Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT) 是一種由BJT（雙極型三極管）和MOSFET（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。它具有 MOSFET 的輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度高的優點，又具有雙極功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強的優點。它是可用于需要高壓、大電流和高速應用領域的非常理想的功率器件，優于其他功率器件，特別是在不間斷UPS電源的應用領域，其使用效果也是十分理想[1]。

二、故障現象

不間斷UPS電源只有旁路輸出而不能正常地進行逆變輸出，該故障反映在不間斷電源主機面板上的直觀現象為“LINE”、“FAULT”指示燈以及 “BYPASS”旁路指示燈均點亮，但是“INV”逆變器指示燈不亮，同時發出報警聲，提示不間斷電源存在故障。拆開不間斷電源主機機箱后用數字萬用表作初步檢測時發現一個55A的保險管已燒斷，另外，該保險管外圍電路中的兩塊絕緣柵雙極晶體管IGBT導通性不一致。

三、科龍6KVA不間斷電源基本原理

科龍6KVA不間斷UPS電源是一種雙變換在線式的儲能裝置，或者說是一種以整流器、鉛酸蓄電池組、充電器以及逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷輸出電壓源。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS 將市電穩壓后供應給負載使用，此時的不間斷UPS電源就是一臺交流市電穩壓器，同時它還向機內鉛酸蓄電池組充電；當市電中斷（或者是事故停電）時，不間斷UPS電源立即將機內鉛酸蓄電池組的電能，通過逆變器的逆變轉換方法向負載繼續供應220V交流電，使負載能夠很好地維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。該設備通常對電壓過大和電壓太低都提供保護[2]。

四、故障分析及處理過程

由故障現象中兩塊型號為2MBI150U2A-060的絕緣柵雙極晶體管IGBT導通性不一致，以及和其直接相連接的55A保險管燒斷可初步推斷本次UPS不間斷電源不能正常地進行逆變輸出故障的故障點就在絕緣柵雙極晶體管IGBT的外圍電路附近。而且，這兩塊絕緣柵雙極晶體管IGBT中至少有一個已經損壞，甚至有可能兩個都損壞，為了更加準確地進一步確定這兩塊絕緣柵雙極晶體管IGBT的好壞，需將其所有外圍電路都斷開，單獨對絕緣柵雙極晶體管IGBT進行測量。通過查看相關器件技術資料發現，該型號的絕緣柵雙極晶體管IGBT采用2合1封閉，工作電壓為600V，工作電流為150A，功耗為500W，其等效電路以及實物圖分別如下圖1、圖2所示。

UPS不間斷電源中的逆變器大多采用DSP、MCU和DDC實時處理的全數字矢量控制技術，通過脈寬調制PWM驅動電路對作為功率開關器件的這兩個絕緣柵雙極晶體管IGBT進行驅動，實現直流電源變換成交流電源的逆變處理，其原理圖如圖3所示。絕緣柵雙極晶體管IGBT的驅動信號為一個PWM脈沖調制信號，該PWM脈沖信號通過一個光耦隔離器件之后，再經過多個三極管組成的放大電路對其進行放大，最后通過主板上的CN7排針以及CN10排針對兩個絕緣柵雙極晶體管IGBT進行控制驅動。從主板CN7排針送來的PWM驅動信號使第一個絕緣柵雙極晶體管IGBT的G1和G2導通，此時會在變壓器的初級形成一個正半周的電壓；而當從主板CN10排針送來的PWM驅動信號時，第二個絕緣柵雙極晶體管IGBT的G1和G2也導通，此時會在變壓器的初級形成一個負半周的電壓[2]。

圖1 絕緣柵雙極晶體管IGBT等效電路圖

通過用數字萬用表分別對兩個絕緣柵雙極晶體管IGBT進行單獨檢測發現其中一個管子的兩個等效二極管均已燒壞擊穿，具體表現為E1與C1兩個端口失去應有的單向導通性，同時，E2與C2兩個端口也失去應有的單向導通性，由此可判斷該絕緣柵雙極晶體管IGBT已損壞。另外，根據以往維修經驗推測判斷，燒斷的55A保險管在很大程度上是由于絕緣柵雙極晶體管IGBT的兩個等效二極管燒壞擊穿導致。

圖2 絕緣柵雙極晶體管IGBT實物圖

圖3 UPS不間斷電源逆變器原理圖

最后，通過更換一個經檢測其性能符合技術資料要求的全新的絕緣柵雙極晶體管IGBT以及55A保險管，另外對這兩個器件的其他外圍電路作進一步的檢測、補焊后，確認該UPS不間斷電源沒有明顯故障，對其進行帶負載（額定功率為1200W的可調功率電熱器）連續24小時通電測試，以此模擬UPS不間斷電源在臺站實際使用時的真實功率，使UPS不間斷電源的負載率大致在10%～30%的范圍內。測試結果表明，修復的逆變器能夠正常進行逆變輸出工作，UPS不間斷電源的其他整體性能指標也在正常工作范圍內。

五、小結

UPS不間斷電源在廣播電視發射機房起著不可或缺的重要作用，作為現代電力電子技術領域的典型設備，UPS不間斷電源在自然條件艱苦的直屬臺和縣級臺站已經使用多年，因此，就難以避免地會出現各種故障，特別是在夏天溫度較高的使用環境下。本文主要介紹了UPS不間斷電源因絕緣柵雙極晶體管IGBT擊穿燒壞引起的逆變器無法進行逆變輸出的故障及檢修方法，對UPS不間斷電源的使用和維護具有一定的指導意義。